湿热地区建筑致凉典型模式研究

0 引言

在人居环境的营造中，人们不仅要面对寒冷对生存的威胁，也要面对炎热对舒适的挑战。长时间处于过冷或过热、过干或过湿的环境中，人体都无法处于较舒适的状态，生产、生活及健康都会受到不利影响。作为人类身体的庇护所，建筑对气候有一定的“过滤”作用，即发挥有利因素的作用，同时，规避不利因素的影响。当处于过热环境中时，人体的自然散热被抑制，引发一系列不舒适的身体机能变化，亟需建筑体及空间发挥“热过滤”作用——建筑致凉。与干热气候相比，湿热气候的影响范围较为广泛，调节也更为复杂。本文将立足湿热气候特点及热舒适需求，阐述湿热气候要素作用的一般原理，结合案例研究，初步总结响应湿热气候的建筑致凉典型模式，为进一步的深入研究奠定基础。

1 湿热气候特点及影响范围

湿热气候是指空气温度高、相对湿度高、雨量大、日温差小，经常无风或少风的气候。具体来说，湿热气候的年平均相对湿度在60%以上，年平均降水量超过1 000 mm，风速较低。由于天空经常多云，太阳直射辐射量减少而散射量增加。在湿热气候影响下，体感较为潮湿，皮肤表面汗液蒸发困难，昼夜闷热使人体感到不舒适。

根据柯本气候分类（Koppen Climate Classification），全世界范围内湿热气候特征主要有：热带雨林气候（Af）、热带季风气候（Am）、热带干湿季气候（Aw）和温暖湿润夏季炎热气候（Cfa），其中，热带雨林气候影响覆盖全年，而热带季风气候、热带干湿季气候和温暖湿润夏季炎热气候，则是在一年中部分时间段呈现湿热的特点。

热带雨林气候（Af），位于赤道附近，常年受赤道无风带支配，全年高温多雨，每月平均降水在60 mm以上，一般都在赤道南北5～10 °，在一些陆地东部靠海地带，会延伸到南北回归线。具体来说，热带雨林气候分布于东南亚、澳大利亚、南美洲亚马逊河流域、非洲刚果河流域、中美洲、墨西哥和众多太平洋岛屿。热带季风气候（Am），由于受到季风的影响，不同的季节风向会有明显的变化，冬季出现旱月，降水量可能会出现小于60 mm的情况，一般也处于赤道附近，主要分布在南亚、西非及南美北部。热带干湿季气候（Aw）位于赤道多雨气候的高纬两侧，纬度较低，太阳高度大，终年高温，有明显的旱季与雨季，年降水量在750～1 000 mm，没有季风影响。相比热带季风，热带干湿季节雨期更长（6个月），降水更加集中（旱季甚至出现为零降水），具体位于非洲撒哈拉以南高原、马达加斯加岛西部、印度南部及西印度群岛部分、亚洲中南半岛中部、中美洲西岸、南美洲的巴西高原等地。温暖湿润夏季炎热气候（Cfa）主要分布于大洋的西海岸，南北纬30 °附近，由于暖流、季风、副热带等因素多重作用，总体上形成温暖湿润、雨量充沛、湿度大的气候特征，且夏季雨热同期，又称亚热带季风性湿润气候，具体分布在美国东南部、南美洲东南部、非洲南端的东部沿海、东亚局部（包括中国南方大部分地区）、澳大利亚东南沿海带及新西兰等地（图1）。

纵观上述全年或季节性受湿热气候影响的地区，大多人口密集、城市分布较多、经济较为发达。湿热气候虽然规避了寒冷气候对生存的威胁，却带来了热量过多的困扰，对人居环境提出了较大的挑战。尤其在全球日趋变暖的当代，湿热气候所带来的能耗增加、生态破坏以及身体疾病等问题逐渐显现，使得人们不得不开始重视建筑致凉议题。从这个角度来说，研究以建筑致凉来响应气候，对于全球范围内践行可持续发展理念、推进节能减排工作具有重要意义。

2 湿热气候条件下的建筑致凉需求

湿热气候地区，由于受湿热气候的影响，居住环境气温高、湿度大，形成了高热、高湿并存的微气候环境，十分不利于建筑空间舒适热环境的营造。湿热气候影响区域还存在太阳辐射较强、日夜温差小、静风天数多等特点。相比之下，干热气候影响区域中最主要的问题在于空气温度很高，户外气温经常高于50 ℃，但只要施以足够的隔热、避热以及散热等致凉措施，热环境就可以得到很大的改善。此外，受干热气候影响，空气相对湿度较低，容易形成较大的日夜温差，使建筑获得良好的自然散热。同时，较干燥的空气储热能力较弱，微气候的变化比较容易形成空气温度差，可以驱动空气流动，也有助于建筑散热。人们针对干燥气候条件下建筑保暖或建筑致凉的措施拥有足够的智慧并取得了良好的效果。而在湿热气候影响区域，最高气温很少高于39 ℃，与干热高温相比，只是一种平稳、温和、持续的温暖，然而高湿度空气的无处不在和渗透，使得建筑空间中热舒适成为一种奢望。当外部环境的空气相对湿度较大时，人体新陈代谢的热量无法通过汗液自然蒸发顺畅地排出体外。尽管自然通风在一定程度上有助于缓解这种不舒适性，但自然风的不稳定性、不可控制性和静风天让致凉成效受到较大限制。而且当气温达到一定程度时，通风就失去了致凉的效果。同时，由于空气湿度大，白天空气吸收的热量无法在夜间得到释放，而是继续储存在水汽之中，这样就导致夜间空气降温幅度较小，建筑在夜间向外的长波辐射受到较大抑制，较多热量仍然存于建筑体之中。因此，与干热地区相比，湿热地区的环境调控难度更大，建筑响应气候的方式也更加复杂。热湿气候被认为是最难控制的气候[1]。

图1 柯本气候分类中湿热气候区分布图

面对湿热气候中高湿、高热同期并存的问题，对干热气候具有显著成效的致凉策略和技术往往大打折扣甚至不起作用。在现代环境调控设备尚未成熟之前，人们只能采用地域化营建技术、被动式策略等来响应湿热气候，在一定程度上规避或减弱湿热气候对人体热舒适度的不利影响，尽可能为自身营造相对舒适的热环境。

3 湿热气候下的建筑致凉典型模式

从全世界范围来看，受湿热气候影响的区域在长期发展过程中，在形态塑造、空间组织及技术应用等方面形成了一系列的建筑致凉模式。在不同地域文化的浸润下，这些建筑致凉的具体表现千差万别，但都共同遵循热舒适环境营造的普遍规律。

3.1 大屋顶遮蔽辐射热量

从最基本的功能角度看，在湿热气候条件下的建筑空间首先要避免雨水冲刷和太阳热炙烤，这也是建筑空间围合的出发点之一。面对这两种气候要素，建筑首先在顶部围合做出响应。在现代防水材料和相应技术成熟之前，降水较多地区的建筑都采用了坡屋顶形式，利用竖直向下的重力作用将建筑屋顶承接的雨水排离建筑，避免从顶部进入建筑空间。虽然材料的短缺不足以决定形式，但显然会否定一些形式。短缺的严重性也会或多或少地限制选择。材料的匮乏与技术的局限减少了变化的可能，进而对形式造成重要影响[2]。现代大面积的防水材料源自化工产业的发展，而在这之前很长时期内，湿热地区的建筑屋顶通常采用小块材料（如我国传统建筑中常见的小青瓦）相互压叠，拼成有坡度的屋面，以利于排除雨水。湿热气候影响区域分布在南北纬40 °区间内，太阳辐射较强，建筑通常采用的大屋顶犹如一柄巨伞将建筑实体及其所围合的空间遮蔽于其下。坡屋顶挑檐比较深远，水平投影轮廓线一般会远远超过建筑围护结构的投影面积。因此，大屋顶对太阳直接辐射的遮蔽作用显著，显示出对建筑空间的调适作用。

纵观湿热气候影响下的各个地区，传统建筑屋顶都采用了坡顶形式，尽管具体形态和材料应用千差万别。东南亚多地的船屋（图2），采用马鞍形的屋顶，在山墙一侧深深向外出挑，不仅能够防雨，而且遮阳效果突出，也塑造出船屋美观轻盈的形态。我国南方地区传统民居也大都采用出挑深远的坡屋顶，建筑采用多种形式出檐造型，常见腰檐或两层腰檐，形成双重檐或三重檐的形态（图3），“如一株阔叶树大小不一的叶子，坡屋顶与坡屋顶相连又宛如自然山脉相接，此起彼伏”[3]。这种大屋顶在建筑立面上留下深深的阴影，减少了建筑本身受日晒雨淋影响，更重要的是遮挡了过多的太阳辐射。

事实上，采用大屋顶调节光热环境的方式也存在于现代主义时期的建筑作品中。现代主义建筑大师莱特在其早期阶段设计了大量的草原住宅，是系统性地利用阳光、自然风等进行被动式设计的建筑实践，如草原式住宅的代表作品之一罗比住宅，其大屋顶出挑深远，对热环境进行有效调节（图4），形成具有地域特色的建筑形态。

在赤道附近的斯里兰卡，全年平均气温较高，降雨充沛，建筑师杰弗里·巴瓦（Geoffrey Bawa）立足地域气候，设计了许多拥有出挑深远的大屋顶建筑，形成独特的热带建筑风貌。木塔托海滨酒店不仅采用大屋顶，每层外廊还逐层出挑，上层廊道在下层空间形成阴影，可有效减少太阳辐射。此外，在夏季雨天可以开窗通风（图5），有助于引入室外较凉空气，实现室内致凉。

图2 东南亚船屋马鞍形屋顶

图3 浙东南地区三重檐屋面

图4 罗比住宅

图5 木塔托海滨酒店及剖立面图[4]

3.2 架空地面减少湿热渗透

除了躲避来自天空的太阳辐射，湿热气候条件的建筑还要面对湿热的地面。架空地面是指将建筑空间的活动面抬离地面，架于空中，这样可以加强底层的通风，防止洪水，并能避开地面昆虫和其它动物的侵扰。架空地面阻隔了室内空间在地板与湿热地面之间的热量传递和湿气水分的渗透，可获得比较干燥的室内地面。

萨摩亚人住居的通透轻盈，其架空处理对自然通风、除湿散热极为有利。泰国人临水而居，利用了水面蒸发以及水面的季风来通风散热。美国佛罗里达州大部分地区属亚热带，最南部则属热带，南部沿海大多属于热带气候地区，那里的西米诺尔人（Seminole）的住宅离地约0.9 m，屋顶由小棕榈叶铺盖，四面开敞，根据活动需要用树皮制作的活动板围合空间（图6）。亚马逊河流域的亚瓜民居也具有类似的特征（图7），亚瓜民居是现在亚马逊河流域最为典型的框架结构房屋，在两端的山墙处具有遮挡雨水和阳光的披檐，住宅地板离地面0.6～1.5 m，以棕榈树皮做地板，用树叶编织屋面，采用坡屋顶，屋脊处较高。

巴布亚新几内亚的原始部落为了避免热带地区的炎热，采用了架高建筑的树屋形式。由于在丛林中靠近地面的空气流动较差，树屋的形式可以尽量利用热带雨林较高位置的自然空气流动，在提高热工舒适性的同时提高防御动物攻击的功能（图8）。建筑拥有较大的外挑屋顶用于遮阳防雨，利用墙壁上材料之间的缝隙获得自然通风。

在湿热气候区，干栏式建筑，又称干栏屋、高脚屋、吊脚楼、棚屋，是一种特色民居建筑，其特点是“编竹苫茅为两重，上以自处，下居鸡豚，谓之麻栏”，盛行于东南亚、马达加斯加、中国西南及台湾等地区。由于气候条件类似，虽然相距几千公里，但泰国的传统干栏建筑（图9）和中国侗族的干栏建筑，构造形式以及主要的外形却惊人相似。干栏建筑是由类似湿热气候环境所产生的同类建筑形态的典型案例。架空的楼面防止土地的潮气侵入室内，高耸的大屋顶则是让热空气在室内有足够的上升空间和排出动力。

3.3 墙体及开口部分排出热量

如果说屋顶和地面是建筑空间的垂直围合界面，那么墙体就是建筑空间的水平界面。在湿热气候中，墙体作为水平方向的围护结构，对室内空间的致凉也有较大影响。实墙及其开口在水平围护结构中占比最大，也是室外热量向内传递的主要载体和通道。

面对炎热的夏季，自然通风始终是一个重要的因素。除遮阳外，通风也被认为是湿热地区最常见有效的致凉方法之一。事实上，与干热地区相比，湿热地区的通风致凉通常不采用类似于捕风塔的特色建筑或构筑形态，却也具有一些自身的特点。

在湿热气候条件下，空气中的水分吸收了大量的热量，成为无处不在的热源，这点与干热气候的影响有较大的差异。在湿热气候下，尽管大屋顶及各种出挑结构可以遮挡不少太阳的直接热辐射，但室外被加热的流动空气仍然存在对流、传导等热传播方式，受限于传统墙体构造及开口部分的密闭性，建筑围护结构很难完全阻挡室外热量的传播和渗透。在技术受限的条件下，许多区域的传统民居采用比较轻质的墙体，目的是在白天减少墙体对热量的吸收、蓄热，也减少夜间向室内的热传递。在中国南方地区，大多采用纯木板墙或带实体墙裙的木板墙，方便在木板墙上做各种开口通风，以解决室内闷热。

图6 西米诺尔人住宅（来源：https://c1.staticflickr.com）

图7 亚马逊河流域的亚瓜住宅（来源：http://news.bbc.co.uk/）

图8 巴布亚新几内亚原始部落的建筑

图9 泰国乡村住宅

需要特别指出的是，湿热气候区的海岛或滨海住宅，为了防风，通常采用比较厚重的砖石围护结构，尽管在白天会吸收较多太阳辐射，但地处海边，存在明显的海陆地形风，风速较大，通风环境极好，夜间散热较快，不用担心晚上通风不畅（图10、11）。砖石具备较好的蓄冷性能，能为白天准备部分冷量，用以在白天对冲因得热而引起的室内空间温度波动。

从海南平潭民居的总平面上看，建筑布局较为紧凑，室外空间多处于低风速下。常用的建筑平面均设有天井，加强了室内的热压通风作用。部分民居在建筑山墙位置开小窗，辅助室内的通风[5]。

在巴基斯坦和印度北部地区的穆斯林地区，轻薄的透空屏风（Jali）解决了自然通风致凉和空间围合私密性的问题（图12）。在湿热气候地区（如Kerala 和Konkan）出现的透空屏风比干燥气候地区（如Gujarat和Rajasthan）具有更大孔洞和更高的透明性。早期的透空屏风是在石头上雕刻几何图案而成，后来则采用较为精美的植物纹样（如曾出现在泰姬陵中的植物图案），需要精细雕刻，还会在周边镶嵌大理石和宝石作为装饰[6]。透空屏风通过压缩穿透的空气有助于降低温度，当气流经过这些开口时，风速增加产生扩散作用。经扩散的空气进入室内增加了室内空气的动能，对人体来说就是增加皮肤汗液的蒸发。在夜间，室内外空气通过镂空部分进行交换，促进室内向室外散热。尽管这种透空屏风在白天会有热风渗透的可能，但缓慢流动的空气提升了室内的舒适温度，使人体在空气温度较高的环境中依然能感觉到舒适。而在夜间，一定程度上通过室内外空气对流促进建筑散热，可减少室内热量的积聚。

图10 浙江温岭石塘

图11 海南平潭岛民居风环境模拟[5]

图12 透空墙的不同形态（来源：维基百科）

白天室外温度较高，进入建筑室内的空气需要经过冷却，否则自然通风给室内空间带来的不是凉爽，而是热量和水汽，将加剧室内环境的闷热。因此，湿热地区的自然通风不仅仅是让空气流经人体活动的区域，而且更重要的是让湿热空气经过一定程度的改善，才会有明显的致凉效果。在多云或者阴天的情况下，室内外的气候梯度比较小，表现为日夜温差小、静风时段长、空气流动速度慢等，室内空间通过自然通风来调节室内环境的可能性大大降低，导致建筑的气候补偿作用被大大削弱。在这种气候条件下，人体的不适感会明显增加，而且持续时间比晴天时候要长。

通常来说，在早晨和夜间的时候，建筑应打开门窗，利用建筑不同朝向的局部温差，充分散热以积蓄冷量；而在接近中午及午后的时间段内，建筑应紧闭门窗进行隔热，以防止室外的热空气进入室内空间。一天之中，中午温度最高时相对湿度最低，反之，当早晨温度最低时相对湿度最高。在早晨和夜间等时间段内，虽然相对湿度较大，但气温相对较低，即使没有空气流通，人体感觉也比较舒适；而在接近中午及午后的时间段内，气温较高，尽管相对湿度较小，通风致凉却不那么容易奏效，因为引入热风所带来的室温温度升高，其不舒适性完全抵消了自然通风带来的舒适性。

3.4 各种廊空间缓冲热量传递

廊空间是指上部结构出挑或柱子支撑而形成的介于室内和室外之间、没有完整围合的有顶线形空间。庭廊是湿热地区出现较多的一类空间形态。与干热地区依靠围护结构阻挡室内外热量传播不同，湿热地区的建筑在面对热量的同时，还需应对雨水冲刷而对建筑造成的损害。通过“廊”这一缓冲空间的设置，室内外之间形成一定的环境梯度，可以舒缓室内外环境变化的剧烈程度。

“廊”是个巨大的导风口，能引导室外的风进入室内。“廊”的存在使建筑开口处的门窗在雨季也能正常使用，一般不用担心室内空间遭受飘雨，而在雨天开启门窗，能进一步促进室外的凉空气进入室内，来替换原先室内较热的空气。

在湿热地区，建筑的“廊”按照形成的结构有檐廊、柱廊等形式。檐廊是由大屋顶对建筑顶面过多覆盖而自然形成的空间，其深度受出挑结构的限制；而柱廊是指在建筑墙体外部还有一排柱子支撑上部形成半围合空间，柱廊宽度范围较檐廊大。这些“廊”空间通常成为夏季阴凉通风的空间，也是室内空间的延伸。

日本住宅中常见的檐廊来自于屋顶出挑或门口的飘檐遮掩而成，对日本轻薄结构的墙体形成较好的保护，也能减少室内的得热（图13）。在中国南方地区的传统民居中，存在各种廊空间，而真正的室内空间则庇护于这些廊空间之内。在传统社会普遍以被动适应气候的条件下，传统民居的各类廊空间无疑对于缓冲湿热环境起到重要作用。在南方的一些传统公共建筑中，由于层高较高、屋顶较大，通常采用柱廊的形式。如广州的陈氏书院中（图14），正房柱廊的柱子均为石材，相比木柱，可以抵挡雨水更长时间的冲刷，同时，由于较大的遮阳深度，使得室内空间受到较少的太阳直接辐射，大部分时间深藏于阴影中。廊空间对室内空间的热环境具有良好的缓冲作用，能大大减缓外部环境向室内空间的热量传递，尤其对直接辐射热的减弱作用十分显著。同时，这种空间形式有显著的挡雨作用，创造了雨天有效通风的条件。

世界各地广泛存在的 “骑楼”（Arcades）也是一种柱廊空间。18世纪下半叶，英国殖民者极不适应印度南部贝尼亚库普尔（Beniapukur）的炎热气候，在住宅前加了一个外廊以遮强光，形成较为凉爽的环境。这种以遮阳为主要功能的柱廊空间类型，随着英国殖民势力范围的不断扩大，经由南亚、东南亚、东北亚而至中国。在鸦片战争后传入香港、广州、厦门、上海等城市（图15），还向西进入广西地区。某种意义上说，骑楼是欧陆较高密度城市建筑适应湿热气候的产物。

尽管到目前为止还不能完全断定：“廊”是湿热地区建筑的特有空间类型，但从中国南方传统民居中广泛存在的檐廊、厦廊、柱廊等空间与遍布多地的骑楼空间来看，社会不同发展阶段的建筑采用了同样的空间类型来响应类似气候特征，很大程度上体现了廊空间在调节湿热环境中的有效性。

在一定程度上，“廊”这类气候缓冲空间，对流经空气的调节作用，主要是针对空气温度而言。廊下空间较凉的空气受到风力的推动，渗透进入室内，廊外的热空气同时进入廊下空间，再被后续的热空气推动，如此循环，在风速较慢的条件下，在室内空间形成“习习凉风”。而在风速较大的条件下，热空气反而无法获得缓冲，没有足够的时间在廊下空间得到“凉却”，反而达不到较慢风速带来的热舒适性。

3.5 天井垂直拔风促进热量散发

在某些风资源较少的地区，全年静风率较高，外部通风条件就受到了限制。没有外部良好的风场，建筑内部的通风（尤其是水平通风）通常也会受到较大限制。在这种情况下，垂直方向上的空气流动可驱动室内空气流通，从而提升人体的热舒适性，也可大大改善建筑微气候中的风环境，促进室内热量散发。

天井是中国南方地区传统建筑中常见的空间类型。与围合的建筑相比，天井的平面尺寸较小，高度由围合建筑决定。天井有一定的遮阳作用，向阳一侧的建筑会在天井中投下阴影。天井是内向式民居内部热量的散发通道。竖向空间容易形成温度差，获得垂直拔风的动力，可以发挥烟囱效应。如在徽派传统民居中，天井不仅起着改善建筑热环境的作用，还有“四水归堂”收集雨水的功效，并可吸收天井的热量，起到降温作用（图16）。

图13 日本住宅檐廊

图14 广州陈氏书院（陈家祠）

图15 骑楼

图16 徽州民居天井拔风示意图（来源：陈宇提供）

通风亭是指在天井上空的盖顶，由于没有墙体围护，像空中的亭子，故而得名。通风亭存在于南方局部地区，如湘西，这是一种极富地域特色的形态。天井本身的平面尺寸较小，已经具备一定的遮阳效果，在天井上空加设通风亭之后，将通过天井的太阳辐射减小到最低水平，保持了天井内部的阴凉。同时，由于上部空间截面变化，加强了微气候梯度，通风亭还有类似于干热地区捕风塔的作用，可以“捕捉”多个方向来风，穿越通风亭的风可以带动垂直方向的拔风效应。通风亭还有防雨作用，天井内在雨天仍可正常使用（图17）。尽管这类架于天井上空的通风亭在一定程度上削弱了天井及周边建筑空间的自然采光，但在夏季，由于遮阳和拔风作用带来显著的致凉效果，是一种适应低层高密度建筑的地域性气候响应智慧。

4 结语

图17 湘西吉首市东正向某宅的通风亭[7]

与干热气候影响不同，湿热气候条件下的建筑致凉需要同时面对湿度大和热量高的问题，其致凉方式也存在较大差异。笔者总结了湿热地区建筑致凉的5种典型模式：①通过大屋顶、深挑檐来减少太阳的直接辐射得热；②架空底层创造地面层通风渠道，以减少湿热地表的热量传递；③围护结构遮挡太阳直射，并有效阻隔室外热空气的大量侵入，能根据需要改变开口状态，为室内增加散热创造条件；④采用廊空间作缓冲在外部环境和室内空间之间形成气候梯度，以减少室内热环境的不利波动；⑤组织天井空间进行垂直拔风，驱动室内空气流通，通过通风亭等措施增强天井上空的遮阳，进一步降低夏季室内空间太阳热辐射量。

在湿热地区，遮阳和自然通风是两种主要的致凉方式，功效各不相同，与干热地区也有较大差异。自然通风的致凉作用不言而喻，但自然通风的不稳定性、不可控制性使自然通风致凉的成效受到较大限制。气温越高，通风致凉的效果越打折扣。而空气湿度大、昼夜间温差小，建筑在夜间的散热也受到抑制。由于传统建筑中缺乏降低空气湿度的有效手段，所以温度的控制就成为湿热地区的首要策略。因此，湿热地区的建筑首先需要利用大屋顶、挑檐、高大树木等对建筑进行遮盖，有效减少太阳辐射的到达量，并让建筑轻巧通透，在水平和垂直方向同时发挥自然通风的最大功效。